總結。放大器內部采用16只輸出功率≥25W的GaN功放芯片進(jìn)行合成，合成網(wǎng)絡(luò )由威爾金森功分器和3dB電橋組成;在功放內部設計有多重低頻濾波網(wǎng)絡(luò )、用于改善信號雜散抑制度;通過(guò)功放內部的結構、電路優(yōu)化，最終功放體積為260*190*30mm3。
1 驅動(dòng)放大單元設計
實(shí)現驅動(dòng)放大器的高增益指標需采用多級放大器進(jìn)行級聯(lián)。在實(shí)際應用條件下，因各級放大器輸入輸出駐波、傳輸介質(zhì)不連續、加工裝配、誤差等因素影響，放大器級聯(lián)后增益平坦度與理論值相比存在不同程度的惡化，尤其在寬頻帶內，級間的反射相位有時(shí)疊加有時(shí)抵消，增大了起伏。改善放大鏈增益平坦度通常有兩種途徑：
（1）選用均衡器對增益進(jìn)行補償;
（2）選用增益曲線(xiàn)互補的放大器級聯(lián)。
為改善增益平坦度，驅動(dòng)放大器設計時(shí)采用以下措施：
（1）在驅動(dòng)放大器輸入端加Ⅱ型衰減器調節放大鏈增益和改善輸入駐波;
（2）選用三級增益曲線(xiàn)在2GHz-6GHz范圍內互補的放大器級聯(lián);
（3）在驅動(dòng)放大器級聯(lián)加入均衡器，均衡器作用為對頻率增益特性進(jìn)行糾正和降低兩級放大器間的互耦，減小模塊發(fā)生自激的可能。均衡器采用砷化鎵工藝制作，頻率覆蓋2GHz-6GHz，輸入輸出駐波比均<1.4，增益均衡量5dB。
經(jīng)增益平坦度優(yōu)化后驅動(dòng)放大器理論增益≥45dB，增益平坦度≤土1 dB，小信號增益2GHz處最低，6GHz處最高，輸出功率≥40dBm。依據工程經(jīng)驗，最終驅動(dòng)放大器增益平坦度≤ 土1.5 dB。
2 功率放大單元
功率放大單元由輸入功分網(wǎng)絡(luò )、輸出功率合成網(wǎng)絡(luò )和16只GaN功率放大器單片組成。
氮化鎵為第三代半導體材料，具有高跨導值、高擊穿電壓、高輸出功率密度、高輸出阻抗等優(yōu)勢，因此十分適合當代射頻功率放大器特別是超寬帶功率放大器的設計。本功放選用的功率單片工作參數如下：在2GHz-6GHz范圍內，飽和輸出功率蘭44dBm，功率增益≥20dB，效率≥30%?？紤]合成損耗及實(shí)際應用環(huán)境，16只功率單片合成完全可以實(shí)現≥250W的功率輸出。
實(shí)現超寬帶的功率合成，常用的合成器形式包括多階威爾金森功分器、LANGE橋、E-T結波導功分器等。由于工作頻率較低，工作在該頻段的波導尺寸較大，且寬頻段的波導到微帶線(xiàn)的轉換較復雜，不建議使用。威爾金森功分器和LANGE耦合器尺寸較小、可與其它形式的微帶電路集成在同一塊印制板上、易于調諧，成為應用面最廣的合成方案。
3 電磁屏蔽與接地設計
由于加工誤差、裝配工藝、設計理念等影響，通常微波放大器完成封裝后，蓋板與盒體會(huì )存在一定數量的縫隙;放大器外部的接插件等都可能成為外界輻射信號的傳輸通道。切斷通道的途徑如下：
（1）有條件盡量采用激光封焊、平行封焊等可實(shí)現氣密的封蓋方式;
（2）對于放大器件所在腔體，采用2層甚至多層封蓋的方式;
（3）針對螺釘封蓋，盡量增加螺釘數量并優(yōu)化固定螺釘分布位置，減小蓋板形變。
實(shí)現良好接地的途徑包括：
（1）盡可能增大接地面積，接地面積越大，等效接觸電阻越小;
（2）要求接地面具有較高的平整度，平整度越高，等效接觸面積越大;
（3）放大器外部接插件與殼體實(shí)現緊密接觸，保證接地良好。
4 結構優(yōu)化
為滿(mǎn)足功率放大器在多種應用場(chǎng)合下的適應性，采取多種結構優(yōu)化措施。結構優(yōu)化主要包括外界相連的接口的優(yōu)化和與尺寸的小型化兩方面。
接口優(yōu)化措施包括：
（1）射頻接插件選用標準50歐姆阻抗SMA-K接頭，方便與各種應用系統的集成;
（2）電源控制接口選用標準連接器（可依據不同系統的需求在J30J、J30、J14等多種標準接口間進(jìn)行選擇）;
（3）優(yōu)化接口布局，實(shí)現大小信號隔離、高低頻信號隔離，提高產(chǎn)品的易用性。
尺寸小型化通過(guò)功率放大單元小型化和多層電路結構技術(shù)實(shí)現。功率放大單元內部元器件盡量選用MMIC;選用高介電常數的射頻板材作為微帶電路載體;選用小型化的微波接插件。通過(guò)上述措施，內部80w功率模塊體積為70*40*12mm3。功放整體設計時(shí)采用多層電路方案。驅動(dòng)放大級、功率放大單元在同一層，電源監控單元分2到3層，避開(kāi)功放內部發(fā)熱量較大的區域，層間互聯(lián)通過(guò)小型化接插件實(shí)現。通過(guò)上述措施最終將功放體積控制在260*190*30mm3。
5 研制結果
功放產(chǎn)品實(shí)物照片如圖l所示。實(shí)測結果顯示：在2GHz-6GHz范圍內，功放輸出功率≥54.5dBm（連續波）、≥55.2dBm（占空比40%）;功率增益≥56dB;小信號增益平坦度≤±2dB;電源附加效率典型值25%（最大31%），優(yōu)于設計預期。
6 總結
本文介紹了一款工作在S-C頻段，頻率范圍覆蓋2GHz-6GHz的超寬帶大功率放大器，介紹了放大器的指標分配、電磁屏蔽與接地設計、小型化處理方法，對功分、合成網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行了理論分析。功放最終輸出連續波功率大于250W，電源附加效率典型值25%，若后續采用更大功率的功放芯片，還可以獲得更高的功率輸出，適用于多種對大功率、超寬帶特性有較高要求的通信、電子信號系統。
參考文獻
[1]龔敏強，寬帶功率放大器的設計[J].現代電子技術(shù)，2009 （11）.
[2]陸宇.30～2600MHz超寬帶CaN功率放大器的設計與實(shí)現[J].半導體技術(shù)，2015 （12）.
[3]陳之光，某型高雜散抑制捷變頻率合成器研制[J]，壓電與聲光，2013 （35）.
